采用电磁场控制超冷原子碰撞动力学的理论研究

Controlling collision reaction of ultracold atoms at low colliding energy implemented by electromagnetic fields is an efficient way to produce ultracold molecules, which is a hot spot of atomic and molecular physics at present. The collision reaction of ultracold alkali-metal atoms controlled by electromagnetic fields at low colliding energy is studied by using the quantum scattering theory. Taking hyperfine interaction and Zeeman effect into account, we calculate the scattering section and length, collision reaction probability and the position and width of Feshbach resonance. The character-exchange of Feshbach resonances for different partial waves and the resonance-splitting of high-order partial waves caused by electromagnetic fields are explored theoretically. The quantum wave-packet dynamics method is used to investigate the formation of ultracold molecules resulting from the collision reaction of ultracold atoms steered by electromagnetic fields and ultrashort pulse laser field. The weakly bound Feshbach molecules induced by magnetic field in long-range region can be converted into the stable molecules with a specified quantum state in short-range region by utilizing the shaped and chirped ultrashort pulses. The efficient scheme to control collision reaction of ultracold atoms is explored. By means of theoretical research, we can deeply understand the formation mechanism of ultracold molecules via the ultracold atomic collision steered by electromagnetic fields, and interpret and simulate the relevant experimental results.

利用电磁场控制超冷原子低能碰撞反应是产生超冷分子的有效方法，是目前原子与分子物理领域的热点研究课题。本项目将采用量子散射理论研究利用电磁场控制超冷碱金属原子低能碰撞反应，考虑超精细结构耦合和塞曼效应，计算碰撞散射截面、散射长度、碰撞反应几率和Feshbach共振位置及宽度；研究利用电磁场调制不同分波Feshbach共振之间的特征交换以及高阶分波Feshbach共振的分裂现象。采用量子波包动力学理论研究由电磁场和超短脉冲激光调控超冷碰撞原子产生超冷分子。由磁场在长程区域产生弱束缚Feshbach分子，再利用超短整形及调频脉冲激光控制Feshbach分子在短程区域形成具有特定量子态的稳定分子。深入探讨利用电磁场和超短脉冲激光场控制超冷原子碰撞反应的有效方案。通过开展本项目研究，期望对电磁场控制超冷碰撞原子产生超冷分子的机理及可行性有更深刻的认识，能够解释和模拟相关实验结果。

围绕电磁场调控超冷原子低能碰撞过程和磁-光缔合过程开展了一系列理论研究工作。采用多通道量子耦合、渐近束缚态、量子亏损、密度矩阵、有限元映射付立叶网格和含时量子波包等多种理论计算方法研究了超冷原子碰撞过程及其量子调控，并自主编写了相应的数值计算程序。通过计算超冷原子散射截面、散射长度、Feshbach共振位置和宽度、磁-光调控超冷分子产率等物理参量系统地研究了电磁场操控超冷原子低能散射及其相关问题。（1）考虑电子与核自旋及其耦合、自旋—轨道耦合、塞曼效应等精细和超精细结构作用，研究了利用磁场、射频场和激光场控制原子低能碰撞过程、Feshbach共振位置及宽度。（2）提出了利用四个物理参数预测和分析磁场调控Feshbach共振位置与宽度的理论模型，采用该模型预测的结果与实验结果一致。（3）把非含时量子散射理论和含时量子波包理论融合在一起，研究了超冷碱金属原子在短程、中程和长程核间距区域的磁、光缔合过程及其机理；探讨了利用电磁场将长程低能碰撞原子转变为弱束缚Feshbach分子、继而转变为短程强束缚稳定分子的有效控调方案。（4）发展了三种含时量子波包理论计算方法，用于研究高温、低温和超低温以及长程、中程和短程光缔合反应。研究了利用整形及调频激光脉冲控制超冷原子碰撞反应。（5）研究了光缔合过程中的矢量效应和同位素效应；探讨了激光偏振方向与缔合分子定向/取向之间的关系。（6）作为扩展性研究（并为后续研究奠定基础），分别推导了动量表象中超冷三原子体系Faddeev方程和超球坐标表象中多通道耦合方程。提出一种用于预测和分析超冷三原子散射Efimov共振的理论模型。